科學家用粒子加速器做新研究：改變對中子星的認識

　　2018年08月16日 08:35 新浪科技


　　

　　用粒子加速器開展的新研究或將改變我們對中子星的認識

　　新浪科技訊 北京時間8月16日消息，據國外媒體報道，中子星最近似乎有「捲土重來」之勢。去年最重要的天體物理學發現就來源於中子星，並且宇宙中大部分金等重元素可能都由中子星提供。但令人不解的是，中子星的大多數重要特性似乎都與「中子」無關，倒是質子也許在中子星的許多特殊現象中發揮了重要作用。

　　科學家利用一台美國粒子加速器的實驗數據，比較了電子撞擊原子核時、質子與中子的表現。這項核物理研究結果具有重要意義，可幫助科學家更好地認識中子星。「分析結果令人非常驚訝。」麻省理工學院物理學助理教授奧爾·漢（Or Hen）表示，「質子在中子星特性中發揮的作用似乎比我們原本認為的重要得多。」

　　中子星是一種密度極大的天體，質量約為太陽的1.5至2倍，但直徑只有16公里左右。科學家認為，這種天體主要由中子和少量質子構成。天文學家無法對它們展開近距離研究，因為最近的中子星也在400光年開外，因此只能在實驗室中進行模擬。

　　科學家利用托馬斯·傑斐遜國家加速器裝置中的連續電子束加速器裝置十年來提供的數據，在實驗室中打造了一個中子星模擬物。對撞機先是將一束電子加速，使電子束獲得很高能量，然後讓其與原子核相撞。此次研究讓高能電子束撞擊氘、碳、鋁、鐵和鉛原子核，然後對釋放出的質子和中子展開比較。

　　研究人員對原子中釋放出的高能質子與高能中子的比例很感興趣。奇怪的是，他們發現原子核中的中子所佔比例越高，釋放出的高能質子就越多，但高能中子的數量卻始終不變。

　　這項研究的物理原理本身就夠有趣了。該團隊使用的數據往往被其它粒子物理實驗棄之不顧。而這些研究人員卻對其展開了深入挖掘，首次發現了其中的獨特規律。以色列特拉維夫大學研究生、帶領本次研究的梅塔爾·杜爾（Meytal Duer）指出，這是首次測量並比較電子與原子核對撞產物中高能質子與中子比例的實驗。

　　這項研究究竟意義何在？假如從上述研究結果向外推，套用到某種幾乎全部由中子構成的物體上（比如中子星），那麼這些中子也許會對中子星中含有的質子比例產生重大影響，從而產生我們從地球上觀察到的種種行為變化。說得更具體些，高能質子也許會改變中子星的冷卻速率，或者中子星直徑與質量之間的關係。

　　「這些分析結果看上去挺可靠。」德國達姆施塔特工業大學核物理學家托馬斯·奧曼恩（Thomas Aumann）在評審該研究后指出。他贊同這些信息可幫助我們更好地認識中子星，但他也指出，這些比較目前還僅是推斷而已，還需理論學家展開進一步研究，才能確定較高的質子含量究竟會對中子星造成怎樣的影響。接下來，該團隊計劃對構成質子和中子的夸克和膠子展開研究，分析這兩種粒子能否有助於自己的觀測結果。

　　此次研究結果還將對其它實驗有所助益，如費米實驗室即將開展的DUNE中微子實驗等。同時它也體現了粒子對撞機對我們認識宇宙起到的重要作用：有了粒子對撞機，物理學家便可以在地球上打造一顆簡化版的微型中子星。「這在很大程度上與理解物質尺度有關，」奧爾·漢表示，「從夸克和膠子，到質子和中子，再到原子核，再到我們用肉眼可見的物質。」（葉子）